Aurinkovoiman voimakas kasvu Saksassa

Saksan aurinkovoiman voimakas kasvu edellyttää verkkokapasiteetin kasvattamista, jotta sähkövoimajärjestelmä toimii vakaasti. Verkonkapasiteettia voidaan kasvattaa rakentamalla verkkoa vahvemmaksi ja/tai lisäämällä älyä olemassa olevaan verkkoon. Smart grid eli älykäs verkko mahdollistaa verkon kapasiteetin hyödyntämisen entistä tehokkaammin. Vahvistamisen ja smart gridin tavoite perustuu kuitenkin siihen, että sähköntuotanto, hallinta, varastointi ja kulutus ovat nykyistä järjestelmää joustavampia ja kykenisi aktiivisesti mukautumaan sähkömarkkinoiden muutoksiin. (DUH 2011)

Uusiutuvalla energialla tuotettu sähkö auttaa vähentämään ilmastonmuutoksen aiheuttavia hiilidioksidipäästöjä. Tämän vuoksi päästötavoitteiden saavuttamiseksi, useimmissa Euroopan maissa onkin mikrotuotantoa tuettu myös kannustavilla syöttötariffeilla. Erityisesti Saksassa kuluttajat ja yritykset ovat vuodesta 2000 lähtien innokkaasti investoineet pieniin jakeluverkkoon kytkettäviin aurinkovoimaloihin pienentääkseen sähkönhankintaa ja tukeakseen ympäristöystävällisempää sähköntuotantoa. Kiinnostusta on lisännyt myös jatkuvasti alentuneet aurinkosähköjärjestelmien hinnat, jotka kasvavat markkinat ovat saaneet aikaan. Kuvasta 5.8 on esitetty BSW-solarin tilasto hinnan kehittymisestä 2006 – 2011 välisestä ajasta. Tilaston mukaan aurinkovoimajärjestelmien hinnat ovat puoliutuneet 5 vuodessa.

Kuva 5.8 Alle 100 kW katolle asennettavien aurinkosähköjärjestelmien keskimääräinen hinta kilowattia kohden ilman veroja. (BSW-solar 2011)

Kuvassa 5.8 on esitetty aurinkotuotannon nopeaa kasvua Saksassa vuodesta 2000 lähtien. Nopeasti alentuneet hinnat ja aurinkotuotantoa tukevat syöttötariffit saivat aikaan todellisen aurinkovoima buumin. Viime vuonna kytkettiin verkkoon ennätyksellisesti 7 408 MW:n edestä aurinkovoimaakapasiteettia ja tästä kapasiteetista on lähes 98 % kytketty pienjänniteverkkoon, joka on poikkeavaa verrattuna muihin uusiutuviin energiamuotoihin.

Kuva 5.8 Aurinkovoiman kapasiteetin kasvu Saksassa vuodesta 2000 lähtien. (BSW-solar 2011)

Verrattuna muihin uusiutuviin tuotantomuotoihin on aurinkotuotanto noussut Saksassa nopeasti merkittäväksi uusiutuvan energian muodoksi. Kuvassa 5.9 on esitetty 4 suurimman uusiutuvan tuotannon kapasiteetin kasvua Saksassa vuodesta 2000 lähtien. Kuvasta nähdään, kuinka nopeasti aurinkovoiman kapasiteetti on kasvanut viime vuosina verrattuna vesivoimalla, biomassalla tai tuulivoimalla tuotettuun sähköön.

Kuva 5.9 Auringon, biomassan, tuulen sekä veden avulla tuotetun sähkön kapasiteetin kasvu Saksassa.

Aurinkotuotannon kasvu on ollut vuosia jopa niin rajua, että alan asiantuntijatkin ovat yllättyneet siitä. Joillakin harvaan asutuilla alueilla suuri määrä aurinkotuotantoa aiheuttaa jo hetkittäin pullonkaulatilanteita sähkönjakelussa ja voi vaarantaa verkon stabiilisuutta.

Ongelmia aiheuttaa aurinkoenergian kuten tuulivoimankin osalta vaihteleva sähköntuotanto ja ennustettavuus johtuen säämuutoksista. Lisäksi myös energian kulutus ja aurinkotuotanto eivät kohtaa Saksassa aina samanaikaisesti. Etenkin kesäviikonloppuisin kulutuksen ollessa pienimimmillään, joudutaan sähköä siirtämään jakeluverkon kautta siirtoverkkoon ja edelleen alueille, joissa on suurempi kulutus. Perinteisillä tuotantolaitoksilla voidaan alassäätää tuotantotehoa jonkin verran. Jos aurinkotuotanto nousee liian korkeaksi, voi se laajetessaan kaataa koko verkon. (New scientist 2011)

Jakeluverkossa ylituotanto voi aiheuttaa kapasiteetin riittämättömyyttä ja ylikuormitusta, joka johtaa aurinkovoiman tuotantotehoa alassäätöön tai tuotantolaitoksen verkosta irrottautumiseen. Toistaiseksi aurinkovoiman aiheuttamat ylituotanto ja pullonkaulatilanteet sähköverkossa ovat olleet hetkittäisiä ja lyhyt aikaisia.

Tilanne muuttunee kuitenkin tulevaisuudessa ja verkko vaatii runsaasti kehittelyä, sillä vuonna 2010 julkaistussa Saksan energiastrategiassa todettiin että aurinkovoiman kapasiteetti tulee kasvamaan 33 GW:iin 2020 mennessä (KEMA 2011). Lisäksi Saksan ympäristöministeriö arvio että, aurinko- ja onshore-tuulivoiman kapasiteetti lisääntyisi nykyisestä 52 GW:lla 2020 mennessä (KEMA 2011). Jos verrataan kesäviikonlopun hetkelliseen kulutukseen, joka voi olla vain 30 GW niin, suotuisien sääolosuhteiden aikana Saksan sähköverkossa olisi runsaasti ylimääräistä energiaa.

Uusiutuvan tuotannon kasvua voi olla kuitenkin vielä voimakkaampaa, sillä saksan liittokansleri Angela Merkelin hallitus teki sopimuksen tämän vuoden toukokuussa, että saksa luopuu ydinvoimasta kokonaan vuoteen 2022 mennessä ja

puuttuvaa sähkökapasiteetti paikataan muun muassa rakentamalla vielä lisää uusiutuvaa energiantuotantoa. (HS 2011)

Voimakas aurinkotuotannon kasvu aiheuttaa suuria haasteita sähköverkon rakentamiselle, sillä ennen ydinvoiman sulkemispäätöstä DENA:n 2010 tekemän tutkimuksen mukaan Saksaan pitäisi rakentaa uutta suur- ja keskijänniteverkkoa 3600 km vuoteen 2020 mennessä (KEMA 2011). Tämä tarkoittaisi noin miljardi euroa lisää kantaverkon rakentamiseen vuodessa. Myös BDEW:n 2011 tutkimuksessa todetaan, että suur- ja keskijänniteverkkoa tulisi vahvistaa195000:sta 380000 kilometriin, jonka arvioitu pääomakustannus vaihtelevat 13:sta 27:n miljardiin (KEMA 2011). Lähitulevaisuudessa tullaan kuitenkin tilanteeseen että, tarvitaan verkkokoodin ja verkon vahvistamisen lisäksi myös smart grid ratkaisua.

Smart grid mahdollistaa aurinkovoiman suhteellisen osuuden kasvattamisen suuremmaksi kuin nykyisillä sähköverkoilla on mahdollista. Älykäs verkko mahdollistaa verkon kapasiteetin hyödyntämisen entistä tehokkaammin, sillä yhdessä energiavarastojen ja kulutuksen ohjauksen avulla voidaan aurinkotuotannosta saatavaa sääriippuvainen sähkö kuluttaa tasaisemmin.

Aurinkoisina päivinä tuotettu ylimääräinen sähkö voidaan syöttää kaksisuuntaisen tehonsiirron turvin jakeluverkkoon ja edelleen alueille, jossa energiaa tarvitaan.

Jos verkon siirtokapasiteetti uhkaa ylittyä tai alueella on ylituotantoa, voidaan sähköä taltioida myös energiavarastoihin, esimerkiksi autojen akkuihin.

Myöhemmin kulutuksen noustessa ja tuotannon pienentyessä voidaan energiavarastoja käyttää energialähteinä.

Älykkäässä verkossa toteutetulla kulutuksen ohjauksella voidaan kuluttajia ohjata säästämään energiaa kulutushuippujen aikana ja sitä kuluttamaan korkean tuotannon aikana. Ohjauksena voidaan käyttää esimerkiksi sähkön hinnoittelua kulutushuippujen mukaan. Näin ollen pienjänniteverkkoon liittyneellä asiakkaalla on sähköntuotannon lisäksi myös mahdollisuus vaikuttaa sähköjärjestelmään

valikoimalla suotuisia kulutusajankohtia. Smart grid mahdollistaa siirtymään perinteisestä kulutuksen mukaan seuraavasta sähköntuotannosta, tuotannon mukaan seuraavaan kulutukseen.

Vaikka smart gridissä tehostetaankin verkon kapasiteettia, vaati laajalle alueelle sijoitettu hajautettu tuotanto silti uusia tehonsiirtoyhteyksiä.

Tehonsiirtoyhteyksien avulla voidaan hajautetusti sijoitettujen aurinkotuotantolaitosten tehoa tasata, sillä mitä laajemmalle aurinkovoimalat sijoitetaan, sitä todennäköisemmin joistakin niistä saadaan tehoa. Kun sähkövoimajärjestelmään liitetään esimerkiksi Saksassa aurinko-, tuulivoima ja muut uusiutuvat tuotannot, niin tehohuiput tasaantuvat tuotantolaitosten määrän kasvaessa entisestään. Smart gridin avulla toteutettu keskitettyohjaus ja laajalle alueelle sijoitettu hajautettu tuotanto vähentää näin ollen säätövoiman tarvetta.

Smart grid vaatii tehokkaan siirtoverkon lisäksi myös hyvän kommunikointiverkon ja mittalaitteiston. Tämän avulla tieto kulkee eri verkon komponenttien ja hallintajärjestelmän välillä. Se mahdollistaa reaaliaikaisen kulutuksen ja tuotannon mittaamisen keskitetyssä hallintayksikössä sekä kuluttajan liittymäpisteessä. Älykkään mittarin avulla kuluttaja saa tiedon todellisesta sähkönhinnasta sekä tuottamastaan ja kuluttamastaan energiasta. Näin kuluttajalla on mahdollisuus seurata ja vaikuttaa oman energian käyttöön.

Saarekekäyttö on tällä hetkellä kaikissa vertailtavissa maissa kiellettyä ja sen havaitsemiseen on käytettävä asiaankuuluvia suojalaitteita. Liitettäessä mikrotuotantoa kulutuksen rinnalle on olemassa pieni todennäköisyys, että kulutuksen ja tuotannon ollessa yhtä suuret voi tuotantolaitos jäädä syöttämään verkkoon nykyisistä saareke-estolaitteista huolimatta. Aurinkovoimalaitoksen osalta todennäköisyys on kuitenkin todella pieni vaihtelevan tuotannon vuoksi.

Smart gridin verkkokomponenttien kommunikoinnin avulla saadaan varmuus siitä, että sähköverkkoyhteys on olemassa. Toisaalta smart grid antaa mahdollisuuden saarekekäytölle, sillä verkon osan irrottauduttua pääverkosta voi hallintajärjestelmä laskea, voiko saarekkeeseen jäänyt osa toimia yksin. Tämä on

yksi kiinnostava smart gridin lisäominaisuus, kun hallitaan kontrolloimatonta hajautettua uusiutuvaa energiaa.

Saksassa nykyinen mikrotuotannon määrän on ollut mahdollista vain toimivien verkkokoodien ansiosta. Mutta hajautetun tuotannon erityisesti kontrolloimattomat aurinko- ja tuulivoiman osuudet tulevat kasvamaan niin suuriksi suhteessa sähkövoimajärjestelmän kokonaistuotanto, että sähkövoimajärjestelmän hallinta on vaikeaa tai mahdotonta pelkästään voimalaitosten verkkokoodien turvin. Tämän vuoksi sähkövoimajärjestelmä tarvitsee myös smart gridia, jolla sähköntuotannon, hallinta, varastointi ja kulutus ovat nykyistä järjestelmää joustavampia ja kykenisi aktiivisesti mukautumaan sähkönmarkkinoiden muutoksiin.